Energía y materia en sistemas naturales y de ingeniería

Flujo de energía

Una frase común en biología es “flujos de energía pero ciclos de materia”. Esta frase se refiere a la entrada y eventual disipación de energía mientras la materia es reciclada y reutilizada en sistemas ambientales naturales y de ingeniería.

La energía para la vida en la Tierra se origina principalmente en el sol. Las plantas absorben esta energía durante la fotosíntesis que luego se utiliza para que la planta crezca y se reproduzca. Aproximadamente el 90% de la energía absorbida por el sol es utilizada por la planta y el 10% se almacena. Cuando un herbívoro come la planta, tiene acceso a ese 10% de energía, que utiliza para crecer, moverse y reproducirse. La energía que almacenan se transfiere luego a los carnívoros (comedores de carne). Dado que la transferencia de energía es direccional (la planta no recupera la energía de los herbívoros), este movimiento se denomina flujo de energía .

En cada nivel hay una disminución de energía debido al uso y la pérdida de la cadena alimentaria al medio ambiente. La eficiencia trófica se refiere a la cantidad de energía disponible en cada nivel trófico (alimentación). La eficiencia trófica normalmente es aproximadamente 10% de transferencia con 90% utilizado o perdido en el medio ambiente, por lo que los niveles tróficos inferiores (plantas) tienen acceso a más energía que cualquiera de los herbívoros o carnívoros.

Ciclos de Materia

La materia, por otro lado, existe en un ciclo en lugar de un flujo. La mayoría de los seres vivos están compuestos por los elementos carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Estos elementos son esenciales para la vida de todas las criaturas, así como para su capacidad de reproducción. También son las principales moléculas que componen los componentes básicos de la vida: los hidratos de carbono, los lípidos, los ácidos nucleicos y las proteínas. A diferencia de la energía que se pierde en la cadena alimentaria en cada nivel de alimentación, los elementos de la vida se reciclan continuamente a través del medio ambiente para ser reutilizados y reciclados constantemente.

Conceptos básicos del ciclo del carbono

Las moléculas de carbono en la atmósfera pueden ingresar a la cadena alimentaria a través de la fotosíntesis. Las plantas toman carbono (en forma de dióxido de carbono) y lo almacenan principalmente como azúcares en sus frutos, tallos y hojas.

A medida que los animales comen plantas, pueden absorber estas moléculas de carbono durante la respiración y liberar dióxido de carbono al medio ambiente. De esta manera, el carbono circula de la atmósfera a las plantas, a los animales y de regreso a la atmósfera.

Ciclos de Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno

El hidrógeno y el oxígeno se combinan como agua para crear el ciclo del agua, que entra y sale de la atmósfera a través de la evaporación y la precipitación. Las reacciones biológicas requieren agua para funcionar.

El nitrógeno, como el carbono, el hidrógeno y el oxígeno, existe libremente en la atmósfera. El nitrógeno es necesario para la creación de ADN (las moléculas instructivas de la vida) así como de proteínas (las moléculas que permiten las funciones diarias). Desafortunadamente, los humanos y otros animales no pueden acceder directamente al nitrógeno atmosférico, sino que dependen de las bacterias fijadoras de nitrógeno que extraen el nitrógeno de la atmósfera y lo incrustan en las raíces de las leguminosas, lo que permite que el nitrógeno entre en la cadena alimentaria. El nitrógeno también se libera a la atmósfera a través de la transferencia bacteriana. La capacidad de las bacterias para reciclar el nitrógeno de la atmósfera a la cadena alimentaria y viceversa permite el ADN y las proteínas que requieren todas las criaturas vivientes.

Sistemas de Ingeniería

Los sistemas naturales existen sin intervención humana, mientras que los sistemas de ingeniería son creados por humanos. En estos sistemas artificiales (diseñados), los humanos suministran las fuentes necesarias de energía y materia. Por ejemplo, los jardines interiores requieren luz artificial para imitar la energía de la luz solar natural. Las luces de crecimiento se utilizan para proporcionar las frecuencias correctas de luz para un crecimiento óptimo de las plantas.

Los sistemas diseñados también deben proporcionar la materia (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno) necesaria para la vida, a menudo comenzando con las partes vegetales del ecosistema. Dado que la mayoría de los sistemas diseñados tendrán acceso al aire, la adquisición del carbono necesario para el crecimiento ya formará parte del sistema. Las fuentes de agua deben incluirse y circularse para permitir que las plantas obtengan hidrógeno y oxígeno.

Los sistemas acuapónicos e hidropónicos permiten que las raíces de las plantas entren en contacto directo con el agua sin necesidad de tierra. Curiosamente, los sistemas acuapónicos utilizan peces para crear un ciclo natural de nutrientes entre la planta y el animal. Otros sistemas pueden requerir una aplicación directa de la materia necesaria mediante el uso de fertilizantes.

Otros ejemplos de sistemas de ingeniería incluyen parques, ciudades, zoológicos y ecosistemas fabricados. Los científicos continúan explorando sistemas diseñados para proporcionar alimentos en diversos elementos, incluso bajo el agua y en el espacio. Ya sean naturales o diseñados, todos los sistemas requieren una entrada constante de energía y hacen fluir los elementos de la vida.

Resumen de la lección

”La energía fluye, pero la materia tiene ciclos”, mientras que la materia necesaria para la vida se recicla y reutiliza. Estos procesos son esenciales para que un ecosistema sobreviva y prospere. El flujo de energía se refiere a la entrada (desde el sol) y la eventual disipación y pérdida de energía en los ecosistemas de la Tierra. Primero, las plantas absorben la energía del sol durante la fotosíntesis. La eficiencia trófica se refiere a la cantidad de energía disponible en cada nivel trófico (alimentación). Aproximadamente el 90% de la ingesta de energía se usa directamente, dejando aproximadamente el 10% de la energía original para el siguiente nivel de alimentación (herbívoros). La energía disponible en cada nivel trófico disminuye con cada paso de la cadena alimentaria.

Mientras la energía fluye, la materia cicla. Los elementos esenciales para todos los seres vivos incluyen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, que se reciclan continuamente en el medio ambiente.

• carbono a través de la fotosíntesis y la respiración
• hidrógeno y oxígeno en el ciclo del agua (evaporación y precipitación)
• el nitrógeno se recicla a través de bacterias fijadoras de nitrógeno desde la atmósfera hasta la cadena alimentaria y viceversa

Ya sean naturales o diseñados, todos los sistemas requieren una entrada constante de energía y un ciclo de materia de manera similar.